Fachbereich Ingenieurwissenschaften II
Studiengang Fahrzeugtechnik
Entwicklung und Konstruktion
einer Kupplung für eine
hydraulische Fahrrad
Seitenwagenbremse
Diplomarbeit
erstellt von:
Alexander Schubert
Beginn: 02.05.2007
Abgabe:
11.07.2007
Inhalt
1
Einleitung ... 1
2
Anforderungen ... 4
3
Konzeptvarianten ... 5
3.1 Hydraulische Schnellkupplung ... 5
3.2 Geber- und Nehmerzylinder ... 6
3.3 Abnehmbare Radbremse ... 7
3.4 Spannvorrichtung ... 11
4
Konzeptauswahl ... 14
5
Praktische Umsetzung ... 15
6
Umsetzung in CAD ... 20
6.1 Fahrrad und Seitenwagen ... 20
6.2 Spannvorrichtung ... 23
6.2.1 Auswahl und Dimensionierung der Zugfedern ... 27
6.2.2 Positionierung der Spannvorrichtung ... 30
6.2.3 Befestigungskriterien der Spannvorrichtung ... 32
6.2.4 Befestigung der Spannvorrichtung ... 37
7 Zusammenfassung und Ausblick ... 41
8 Literatur ... 42
9
Anhang ... 43
9.1 Bilderverzeichnis ... 43
9.2 Tabellenverzeichnis ... 45
9.3 Explosionszeichnung der Spannvorrichtung ... 46
9.4 Daten und Berechnungsergebnisse der Zugfedern ... 47
1
1 Einleitung
Im Rahmen der vorliegenden Diplomarbeit soll eine Kupplung für eine hydraulische
Fahrrad Seitenwagenbremse, bei einem Tourenrad der Marke SMIKE, entwickelt und
konstruiert werden. Hierbei handelt es sich um ein Fahrrad mit abnehmbarem Seiten-
wagen, der als Beifahrersitz ebenso wie als Transportfläche dient. Dieser Seitenwagen
ist für eine maximale Zuladung von 75 kg zugelassen und verfügt serienmäßig über
Aufnahmen für einen Kindersitz. Durch die drehbare Lagerung ist auch bei angekoppel-
tem Seitenwagen die Schräglagenfähigkeit des Fahrrades gewährleistet. Wie in Bild 1
zu sehen ist, kann das Modell optional mit einem elektrischen Unterstützungsantrieb in
Form einer Radnabenmotors am Vorderrad ausgestattet werden.
Die Diplomarbeit wird bei der Firma HAWK Bikes Entwicklung und Marketing GmbH in
Berlin angefertigt. Zusammen mit dem Schweizer Unternehmen SMIKE AG, wurde das
Fahrrad und der Seitenwagen entwickelt und ging Mitte des Jahres 2006 in Serie. Jetzt
soll der Seitenwagen mit einer hydraulischen Felgenbremse der Marke MAGURA aus-
gestattet und an die Hinterradbremse des Fahrrades angeschlossen werden. Notwen-
dig macht dies die noch ausstehende, vom Schweizer Bundesamt für Strassen (Astra),
kantonale Bewilligung für den Personentransport auf dem Fahrrad Seitenwagen.
Bild 1 SMIKE
2
Aus den folgenden Tabellen können die technischen Details des Tourenrades, des Sei-
tenwagens sowie des elektrischen Antriebs entnommen werden.
Tabelle 1 Technische Details des Tourenrades [1]
TOURENRAD:
· Länge
178 cm
· Breite
58cm (ohne Seitenwagen),
100cm (mit Seitenwagen)
· Gewicht
18,4 kg
· Rahmen
AA7005 Aluminium onesize
· Schaltung
Shimano Nexus Inter-7 (Nabenschaltung)
· Schalthebel
Shimano Nexus Inter-7
· Bremsen
Magura HS11 (hydraulisch)
· Reifen
Schwalbe HS-338 Big Apple (26''x2.35'')
· Felgen
Rigida ZAC21
· Sattel
VELO Newport S4
· Sattelstütze,
Promax SP-884 (27.2mmx350mm)
gefedert
· Lenker
Promax HB-T305
· Vorbau
Promax MA-549 (105mm)
· Steuersatz
Lun Feng Blog CW
· Vorderlicht
Basta
· Rücklicht
B&M
· Dynamo
Basta Quattro 5323
· Ständer
TOP GEAR UL-945A
· Gepäckträger
Pacific
Tabelle 2 Technische Details des Seitenwagens [1]
SEITENWAGEN:
· Länge
105 cm
· Breite
70cm (mit Tourenrad 100 cm)
· Gewicht
16,4 kg
· Rahmen
AA7005 Aluminium onesize
· Reifen
Schwalbe HS-338 Big Apple (26''x2.35'')
· Felgen
Rigida ZAC21
· Sattel
VELO Newport S4
· Besonderes
gepolsterte Sitzfläche mit Kunstlederbezug
klappbare Rückenlehne
rutschfeste Ladefläche
Kindersitz montierbar
(Römer mit Pletscher-Adapter)
3
Tabelle 3 Technische Details des elektrischen Antriebs [1]
Antrieb: Heinzmann
Elektromotor
· Gewicht
10,6 kg
· Typ
Radnabenmotor Pedelec (1)
· Rad Ø
26 "
· Betriebsspannung
36 V
· Geschwindigkeit
25 km/h (2)
· Betriebsleistung
250 W
· Max. Motorenstrom
28 A
· Max. Drehmoment
41 Nm (3)
Heinzmann Akkubox
· Typ
NiMh (Nickel-Metallhydrid)
· Spannung
36 V
· Kapazität
8 Ah
· Besonderes
Ladezustandsanzeige
· Mitgeliefert
Schnellladegerät
Tabelle 4 Legende Motorenwerte [1]
(1) Definition Pedelecs (andere Bezeichnung: EPAC = Electrically Power
Assisted Cycle): der Motor arbeitet nur, wenn auch gleichzeitig getreten
wird; die Motorunterstützung muss bei 25 km/h (+ 10 %) gedrosselt werden.
Keine Versicherungs-, Führerschein- und Helmpflicht .
(2) Errechnete Geschwindigkeit in der Ebene bei Verwendung in einem
Fahrrad mit der angegebenen Radgröße ohne Tretleistung für 100kg
Gesamtgewicht.
Kurzzeitige höhere Leistung bis zum angegebenen maximalen Motorstrom
ist erlaubt. Der Motor ist gegen Überhitzung durch einen eingebauten
Temperaturschalter geschützt, der bei Überschreitung der zulässigen
Motortemperatur einen Kontakt öffnet. Dieser Temperaturschalter muss
entsprechend Datenblatt so angeschlossen werden, dass über das
Motorsteuergerät oder über ein Relais der Motor abgeschaltet wird.
(3) Bei maximalem Strom und Nennspannung
4
2 Anforderungen
Wie bereits erwähnt, soll der Seitenwagen mit einer hydraulischen Felgenbremse aus-
gestattet und diese mit der Hinterradbremse des Fahrrades verbunden werden. Die
wichtigste Anforderung in Bezug auf die Betriebssicherheit besteht in der zwangsläufi-
gen Kupplung des Bremssystems beim Ankoppeln des Seitenwagens an das Fahrrad.
Diese Kupplung zwischen Fahrrad- und Seitenwagenbremse darf vom Anwender weder
vergessen noch übersehen werden. Des Weiteren muss die Funktionalität der Hinter-
radbremse des Fahrrades auch bei abgekoppeltem Seitenwagen gewährleistet sein.
Bei der Verbindung der Bremsen sind außerdem die Relativbewegungen zwischen
Fahrrad und Seitenwagen während des Fahrbetriebs zu berücksichtigen. Da die Sei-
tenwagenbremse als Nachrüstsatz für bereits ausgelieferte Radmodelle konzipiert ist,
dürfen weder am Fahrrad noch am Seitenwagen konstruktive Änderungen vorgenom-
men werden.
Genau wie die Übertragung der Bremskraft, muss sowohl das Öffnen als auch das
Schließen der Kupplung rein mechanisch erfolgen. Dies ist notwendig, da nicht jedes
Fahrrad Modell über einen elektrischen Unterstützungsantrieb und somit auch über eine
Stromquelle verfügt. Des Weiteren sollte die Kupplung möglichst so ausgelegt sein,
dass ein versehentliches oder selbstständiges Öffnen bei angekoppeltem Seitenwagen
ausgeschlossen ist.
Die Punkte der folgenden Aufzählung stellen die Anforderungen speziell an die Kupp-
lung des Bremssystems dar.
· Hohe
Lebensdauer
· Wartungsarmut
· Kompakte
Bauform
· Bauteilreduzierung
· Geringes
Gewicht
· Hoher
Wirkungsgrad
· Niedrige
Herstellungskosten
· Verwendung möglichst vieler Kaufteile
Im Kapitel 3 werden vier Konzeptvarianten zur Bremskraftübertragung näher vorgestellt,
die während den Vorüberlegungen bzw. Recherchen zu diesem Arbeitsauftrag entwi-
ckelt wurden.
5
3 Konzeptvarianten
3.1 Hydraulische
Schnellkupplung
Auf dem Markt wird eine Vielzahl von Schnellkupplungssystemen mit verschiedenen
Nennweiten und Werkstoffen angeboten. Sie dienen zum schnellen Verbinden und
Trennen von Leitungssystemen. Diese Schnellkupplungen bieten ein breites Spektrum
an Anschlussarten und finden Anwendung in jedem Druckbereich. In einseitig und beid-
seitig absperrender Ausführung, sind sie für diverse gasförmige und flüssige Medien
geeignet. Bild 2 zeigt eine Auswahl von Niederdruck Schnellkupplungssystemen der
Firma Walther Präzision. Weitere Merkmale von Schnellkupplungen sind:
· Automatische
Verriegelung
· Leckagefreie
Ausführung
· Hoher
Wirkungsgrad
· Langwährende
Dichtheit
Als Verbindung zwischen Fahrrad- und Seitenwagenbremse sind Schnellverschluss-
kupplungen aufgrund ihres hohen Preises eher ungeeignet. Des Weiteren muss die
Kupplung vom Anwender immer noch manuell geschlossen werden.
Bild 2 Niederdruck Schnellkupplungen [2]
6
3.2 Geber- und Nehmerzylinder
Während der Vorüberlegung entstand die Idee, die Bremskraft von der Hinterradbremse
des Fahrrades zur Radbremse des Seitenwagens, mittels Geber- und Nehmerzylinder
zu übertragen. Wie auf den Schnittdarstellungen in Bild 3 und 4 zu sehen ist, sind die
beiden Zylinder jeweils in konisch zueinander passenden Elementen untergebracht. Der
Anschluss an die Bremssysteme von Fahrrad und Seitenwagen erfolgt über einen Stut-
zen mit einem Außengewinde der Größe M6 und die serienmäßige MAGURA Bremslei-
tung, die über den Stutzen gesteckt wird.
Die Elemente mit Geber- und Nehmerzylinder sind auf Hülsen montiert, welche sich
drehbar gelagert jeweils auf dem Rahmenrohrende des Fahrrades sowie auf dem Arm
des Seitenwagens befinden. Bei angekoppeltem Seitenwagen und Neigung des Fahr-
rades, verbleiben die Elemente dadurch in gleicher Position zueinander. Beim Ankopp-
lungsvorgang entsteht durch die konische Form der Elemente eine formschlüssige Ver-
bindung, bei der sich Geber- und Nehmerzylinder gegeneinander abstützen. Somit kann
die Kraft des fahrradseitigen Bremssystems auf das Bremssystem des Seitenwagens
übertragen werden.
Als Nachteile dieser Variante sind vor allem die nicht abzusehenden Entwicklungskos-
ten sowie Entwicklungszeit und die fehlende Machbarkeitsstudie zu diesem Konzept zu
nennen. Des Weiteren besteht, durch die fehlende Verriegelung des Geberzylinders im
Solobetrieb des Fahrrades, ein erheblicher Unterschied zwischen der Bremsleistung am
Hinterrad bei ab- und angekoppeltem Seitenwagen.
Bild 3 Konzept bei abgekoppeltem Seitenwagen
Bild 4 Konzept bei angekoppeltem Seitenwagen
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